淺談地下污水處理廠電氣特點(diǎn)和能效管理系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

摘要：近年來(lái),隨著自然環(huán)境的改善，越來(lái)越多的城市開(kāi)始建設(shè)地下污水廠。地下水廠將部分或所有處理構(gòu)筑物置于地下箱體內(nèi)，而廠區(qū)地上部分則做成了景觀綠地或公園。這樣不僅合利利用了土地,完善了基礎(chǔ)設(shè)施,也是營(yíng)造城市舒適環(huán)境的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。而地下污水廠的電氣設(shè)計(jì)與地上不同，本文從供配電、防雷接地 、照明等方面闡述地下污水處理廠的特點(diǎn)，介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能源管理解決方案來(lái)提高污水廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行、節(jié)能降耗和高效運(yùn)維。

關(guān)鍵詞：地下污水廠；安全穩(wěn)定；物聯(lián)網(wǎng)；能源管理；高效運(yùn)維；

近年來(lái)，隨著自然環(huán)境的改善，越來(lái)越多的城市開(kāi)始建設(shè)地下污水廠。地下水廠將部分或所有處理構(gòu)筑物置于地下箱體內(nèi)，而廠區(qū)地上部分則做成了景觀綠地或公園。這樣不僅合利利用了土地,完善了基礎(chǔ)設(shè)施,也是營(yíng)造城市舒適環(huán)境的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。而地下污水廠的電氣設(shè)計(jì)與地上不同，本文從供配電、防雷接地 、照明等方面闡述地下污水處理廠設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。污水廠設(shè)備要求供電可靠性，一般不允許停電，中斷供電將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，因污水廠供電負(fù)荷等級(jí)為二級(jí)，應(yīng)采用兩路電源供電，同時(shí)為保證電源可靠性，備用一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)，至少滿(mǎn)足廠內(nèi)應(yīng)急通風(fēng)換氣、消防、應(yīng)急照明等用電。地下式污水廠和地上廠相比，對(duì)配電系統(tǒng)的安全性、可靠性要求更高。例如，地下式污水廠采用速閉閘或速閉閥保證進(jìn)水安全，若這些設(shè)備的供電出現(xiàn)問(wèn)題，則可能突然停止進(jìn)水，影響正常生產(chǎn);也可能無(wú)法停止。

1.變配電室布置

污水廠的主要大功率設(shè)備包括曝氣風(fēng)機(jī)、提升泵、污泥脫水以及干化成套設(shè)備等。變配電室應(yīng)充分考慮工藝布局特點(diǎn)，靠近負(fù)荷中心，并且變壓器供電半徑不宜太大，同時(shí)考慮設(shè)備運(yùn)輸?shù)姆奖悖M量靠近地下箱體通道布置。

2.供配電系統(tǒng)

污水廠負(fù)荷等級(jí)一般為二級(jí)，宜采用兩回 10kV線路供電。10kV 配電系統(tǒng)采用單母線分段結(jié)線，放射式供電。各變壓器均勻布置在10kV兩段母線上。如有分變配室，分配電室10kV 宜采用線路變壓器組方式，電源一般引自主變配電室，在分變配電室進(jìn)線處設(shè)負(fù)荷開(kāi)關(guān)作為變壓器檢修時(shí)的斷開(kāi)點(diǎn)。配電室0.4kV系統(tǒng)宜采用單母線分段方式。工藝設(shè)備中負(fù)荷重要的設(shè)備(重要工段的水泵、鼓風(fēng)機(jī)等)和設(shè)備組(污泥脫水及干化系統(tǒng) 、加藥系統(tǒng)等)均由變配電室 0.4kV系統(tǒng)放射式供電。小容量設(shè)備如刮泥機(jī)、電動(dòng)閘門(mén)、排水泵等，采用動(dòng)力配電箱及設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)電控箱的兩級(jí)配電方式，既保證了主要設(shè)備的供電可靠I生，又減少了電纜數(shù)量。

3.照明設(shè)計(jì)

地下箱體內(nèi)設(shè)正常照明與應(yīng)急照明裝置。采用智能照明控制系統(tǒng),可以對(duì)不同工況(無(wú)人值守、正常巡視 、檢修、參觀等)下不同的照度進(jìn)行控制，把照明效率與節(jié)能發(fā)揮到較佳狀態(tài)，提高管理水平。由于對(duì)地下箱體內(nèi)的照度和可靠性要求高，并且潮濕環(huán)境對(duì)燈具及線路的影響較大，箱體大空間宜采用高效防水防腐的LED工礦燈，LED工礦燈均于金屬線槽下安裝,便于檢修。消防控制室、防煙及排煙控制區(qū)域、中央控制室等場(chǎng)所應(yīng)設(shè)置備用照明；疏散樓梯間、箱體內(nèi)疏散通道等區(qū)域設(shè)置疏散照明及疏散指示標(biāo)志燈。應(yīng)急照明可在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制，也可由消防控制室控制,火災(zāi)時(shí)或因故失電時(shí),應(yīng)急照明應(yīng)能強(qiáng)制點(diǎn)亮。廠區(qū)道路及景觀區(qū)域照明以裝飾庭院燈具為主，燈具形式于建筑物風(fēng)格與廠區(qū)綠化環(huán)境相諧調(diào)，襯托出舒適、優(yōu)美的氣氛，滿(mǎn)足人們對(duì)環(huán)境的美好愿望。

4.能耗分布

污水處理廠的能耗成本主要為電能、藥物、燃料，其中電能消耗占有60~90%，我國(guó)污水二級(jí)處理電能消耗為0.19~0.36 kWh/m3，經(jīng)過(guò)對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠能耗狀況及其影響因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明目前我國(guó)城市污水處理廠平均能耗為0.29kWh/m3，而美國(guó)污水處理廠平均能耗為0.2kWh/m3，日本為0.204~0.254kWh/m3。總體上看,我國(guó)在污水處理中的節(jié)能降耗、優(yōu)化運(yùn)營(yíng)方面起步晚，還存在很大的節(jié)能降耗空間,而電能的消耗較大在污水提升泵、鼓風(fēng)曝氣和污泥處理環(huán)節(jié)，較高的能耗水平在一定程度上影響了污水處理的建設(shè)和發(fā)展。

1..變配電室的防水、防潮及防腐設(shè)計(jì)

由于變配電室位于地下箱體負(fù) 1層,上部為地面景觀綠化種植,為避免變配電室頂部滯水,變配電室頂部應(yīng)適當(dāng)高于周?chē)斆?并采用鋼筋混凝土摻入高效抗裂防水劑的措施 ；變配電室內(nèi)的墻面應(yīng)采用防水涂料防水布等措施防滲水；變配電室內(nèi)地面高于箱體負(fù) 1層底板，防止事故時(shí)污水進(jìn)入變配電室。地下變配電室面臨的另一個(gè)環(huán)境問(wèn)題就是潮濕。為保證電氣設(shè)備安全運(yùn)行，本工程所有高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)均設(shè)溫濕度控制裝置,自動(dòng)調(diào)節(jié)柜內(nèi)溫度及濕度；變配電室內(nèi)還增設(shè)獨(dú)立的除濕裝置來(lái)改善變配電室內(nèi)的環(huán)境濕度。地下污水廠還需要特別考慮腐蝕性氣體對(duì)電氣設(shè)備的腐蝕問(wèn)題。因此，變配電室內(nèi)采用獨(dú)立的新風(fēng)系統(tǒng)，保證變配電室內(nèi)始終處于正壓狀態(tài)，以防止腐蝕陛氣體侵入變配電室。

2.環(huán)境對(duì)電氣設(shè)備的影響

全地下水廠因整個(gè)箱體是一個(gè)封閉空間，內(nèi)部含有污水池體 、涉水管道及其內(nèi)部的排水溝道等,整個(gè)箱體內(nèi)比較潮濕,而且污水進(jìn)水前端、好氧消化段、污泥處理段均會(huì)產(chǎn)生硫化氫等氣體腐蝕電氣設(shè)備，雖然箱體內(nèi)設(shè)有機(jī)械通風(fēng)及除臭裝置,但通過(guò)對(duì)多個(gè)類(lèi)似水廠的考察，未采取防潮防腐措施的電氣設(shè)備被腐蝕較嚴(yán)重，給運(yùn)行和維護(hù)帶來(lái)了不便。因此,箱體內(nèi)各單體上的配電柜(箱)宜采用不銹鋼或聚碳酸酯材質(zhì),電纜橋架采用不銹鋼橋架。相對(duì)濕度較大時(shí)也可在箱體內(nèi)裝設(shè)電熱除濕裝置。同時(shí)，箱體內(nèi)散熱較慢，選擇低壓電氣設(shè)備類(lèi)型時(shí),有必要考慮降容使用。成套裝置或配電柜內(nèi)布置回路不宜太緊湊，尤其是有變頻器的回路,以防散熱不利。

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計(jì)算到能效管理平臺(tái)的產(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)通過(guò)在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、充的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝保護(hù)、監(jiān)測(cè)、分析、治理裝置，用于監(jiān)測(cè)污水廠能耗總量和能耗強(qiáng)度，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)主要用能設(shè)備能效，保護(hù)污水廠運(yùn)行安全可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細(xì)的解決方案。

圖1 AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)

1.保障供電可靠性

對(duì)污水廠配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級(jí)配置微機(jī)保護(hù)裝置及多功能儀表進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控，對(duì)0.4kV配置多功能計(jì)量?jī)x表，用于監(jiān)測(cè)各回路的電氣參數(shù)和用能情況，可實(shí)時(shí)監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)柜、變壓器微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置、發(fā)電機(jī)控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測(cè)、遙調(diào)、事故報(bào)警及記錄等。

污水廠存在大量的非線性負(fù)載，通過(guò)監(jiān)測(cè)其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動(dòng)、閃變和容忍度指標(biāo)分析其電能質(zhì)量，并配置對(duì)應(yīng)的電能質(zhì)量治理措施進(jìn)一步提高供電可靠性。

圖2  AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)主接線圖

2.建立能源計(jì)量體系

AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)通過(guò)搭建計(jì)量體系，采集污水處理廠能源數(shù)據(jù)，顯示污水處理廠的能源流向和能源損耗，通過(guò)能源流向圖幫助其分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域幫助其了解各工藝環(huán)節(jié)能源消耗量，并且可細(xì)化到樓層、車(chē)間、產(chǎn)線、班組、工序，計(jì)算產(chǎn)品單耗、單位面積能耗或萬(wàn)元產(chǎn)值能耗，從而計(jì)算出能耗總量和單位能耗。

圖3 能源流向圖

3.數(shù)據(jù)集抄并實(shí)時(shí)計(jì)量

AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)提供自定義時(shí)間抄表功能，可以在任意時(shí)間，任意地點(diǎn)，完成對(duì)企業(yè)的三級(jí)計(jì)量體系數(shù)據(jù)閱覽，減少了人工投入。同時(shí)各類(lèi)保護(hù)、儀表主動(dòng)定時(shí)上傳數(shù)據(jù)，保證了能源時(shí)效性，為其節(jié)能降耗，提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

圖4 數(shù)據(jù)集抄報(bào)表

4. 優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)

AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)支持接入分布式光伏電站以及風(fēng)力發(fā)電站，為企業(yè)提供分布式電站運(yùn)行監(jiān)測(cè)和發(fā)電日/月/年/累計(jì)收益和減排分析，支持自發(fā)自用、余電上網(wǎng)。在儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，平臺(tái)接入BMS和PCS數(shù)據(jù)，支持充放電配置策略，并對(duì)電池管理系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)預(yù)警，根據(jù)其負(fù)荷特點(diǎn)，削峰填谷，充分使用新能源，降低污水廠碳排放。

圖5 分布式光伏電站監(jiān)測(cè)運(yùn)維

5. 提升主要用能設(shè)備能效

污水處理廠中有著大量的電機(jī)、水泵，其中污水提升泵和鼓風(fēng)曝氣能耗占據(jù)了工藝能耗中的大多數(shù)，平臺(tái)針對(duì)這些工藝設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，工藝之間橫向比較，尋找具調(diào)控潛力的用電設(shè)備、工藝單元，幫助用戶(hù)發(fā)現(xiàn)其能效提升空間并提供解決方案，找到運(yùn)行區(qū)域，顯著降低能源消耗

圖6 管網(wǎng)圖和能效監(jiān)測(cè)

6. 報(bào)警及時(shí)推送

平臺(tái)提供能源報(bào)警功能，一旦發(fā)現(xiàn)跑冒滴漏，能源消耗異常，電參量異常等情況，能提供多種方式的報(bào)警，包括但不限于郵件、短信、釘釘推送等。

圖7 報(bào)警記錄與管理

7. 加強(qiáng)運(yùn)維管理

加強(qiáng)巡視維護(hù)工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)或消除設(shè)備隱患，提高供電可靠性。配置重要設(shè)備包括變壓器、電氣柜、高壓電纜、空調(diào)主機(jī)、水泵、鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備信息，配置二維碼，快速在移動(dòng)端獲取設(shè)備信息、設(shè)備維修歷史記錄以及解決問(wèn)題的常用辦法。

故障預(yù)判和快速診斷功能將以往出現(xiàn)問(wèn)題再采取措施的被動(dòng)檢修維護(hù)政為主動(dòng)出擊、防患于未然的主動(dòng)運(yùn)維模式。既可以使運(yùn)維管理工作更從容。還大大提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

圖8 設(shè)備運(yùn)維檔案

8. 典型硬件

地下污水廠的建設(shè),本著安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理 、運(yùn)行管理的原則，通過(guò)合理運(yùn)用能源管理平臺(tái)，利用先進(jìn)的大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠提高污水廠的供電可靠性，找到節(jié)能降耗的實(shí)際方案，深入能耗分析，發(fā)掘節(jié)能潛力，為管理者提供準(zhǔn)確化的管理手段，提高污水處理廠的能耗管理水平。

[1] 董建明，孫展淺.談地下污水處理廠電氣設(shè)計(jì)的特點(diǎn).公用工程設(shè)計(jì).2018-O1.25

[2] 馬培對(duì)城市污水處理廠能耗分析與節(jié)能降耗途徑探討[J].城市建設(shè)理論研究(電子版).2018年06期

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)用手冊(cè).2020.06版

任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職于 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究智能配電在水利行業(yè)的應(yīng)用